An Toàn Điện

Đầu tiên chúng ta nên tìm hiểu dây sơ về dây nối đất. Trong hệ thống điện để đảm bảo an toàn cho người sử dụng thì dây nối đất luôn đóng một vai trò rất quan trọng.

Ví dụ trong mạng 3 pha, trung tính nối đất, mạng điện hoạt động bình thường, tay chạm vào dây pha, dòng qua người tương đối lớn.

I(người) = U / [căn(3)x(R_đất + R_người + R_nền)]

Khi tăng điện trở lên thì dòng qua người sẽ giảm (ít nguy hiểm đến tính mạng) chính vì vậy chúng ta cần có 1 hệ thống nối đất

dien-giat1

Theo thống kê của giới chuyên môn việc sử dụng các thiết bị điện tử có ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe của con nhỏ trong gia đình. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ hiện nay điều này là không thể tránh khỏi. Dưới đây là một vài mẹo nhỏ giúp các con nhỏ trong gia đình của bạn sử dụng những thiết bị này mà khoonng ảnh hưởng tới sức khỏe nhất để các bạn áp dụng.

Trẻ 0-5 tuổi

– Trẻ nhỏ dưới 24 tháng cần tránh mọi hoạt động với màn hình điện tử, trừ video chat.

– Đối với trẻ 18-24 tháng, bạn có thể giới thiệu thiết bị điện tử nhưng mỗi lần sử dụng nên ở cạnh trẻ, tránh để con tự dùng một mình.

– Khi trẻ được 2-5 tuổi, thời gian tiếp xúc với màn hình điện tử tối đa là một tiếng mỗi ngày.

– Tuyệt đối không xem thiết bị điện tử trước giờ đi ngủ.

– Tránh sử dụng các thiết bị này như phương pháp xoa dịu trẻ bởi có thể ảnh hưởng đến khả năng điều chỉnh cảm xúc của trẻ.

– Giám sát nội dung các chương trình trẻ xem; tránh những yếu tố phản cảm, bạo lực. Kiểm tra ứng dụng trước khi cho trẻ dùng.

– Vào giờ ngủ, ăn và chơi đùa, cả cha mẹ và trẻ đều không nên sử dụng thiết bị điện tử.

Trẻ 5-18 tuổi

Nhờ mạng xã hội, trẻ 5-18 tuổi có cơ hội học hỏi, sáng tạo và nhận được sự hỗ trợ từ cộng đồng. Tuy nhiên, nếu lạm dụng sẽ kéo đến nguy cơ tăng cân, mất ngủ và tiếp xúc với những nội dung không an toàn. Dù chưa tiêu chuẩn thời lượng sử dụng thiết bị điện tử chính xác nào được đưa ra dành cho trẻ độ tuổi này, cha mẹ vẫn cần lưu ý một số ý dưới đây.

– Chủ động xây dựng và thống nhất giới hạn sử dụng tiếp xúc với thiết bị điện tử trong gia đình.

– Nên dành ít nhất một giờ vận động thể chất và 8-12 tiếng ngủ mỗi ngày tùy theo độ tuổi.

– Tránh đặt tivi, máy tính và điện thoại trong phòng ngủ của trẻ.

– Tránh sử dụng thiết bị điện tử trước giờ đi ngủ.

– Dành thời gian để cả gia đình không sử dụng thiết bị điện tử hoặc bố trí những khu vực không thiết bị điện tử.

– Đề nghị người giữ trẻ hoặc người chăm sóc khác thực hiện những điều trên.

– Trò chuyện trực tiếp với trẻ về an toàn trên mạng xã hội.

– Xây dựng một nhóm người lớn đáng tin cậy cùng tham gia mạng xã hội với trẻ.

Trẻ dưới 24 tháng tránh mọi hoạt động liên quan màn hình điện tử, bé 2-5 tuổi chỉ nên tiếp xúc nhiều nhất một giờ mỗi ngày.

Ngày nay trẻ em tiếp xúc với tivi cùng điện thoại di động, máy tính bảng từ khi còn rất nhỏ. Học viện Nhi khoa Mỹ đã phát hành hướng dẫn dưới đây nhằm giúp đỡ phụ huynh tìm ra thời gian sử dụng các thiết bị điện tử cho con một cách hợp lý.

Toàn là những mẹo dễ thực hiện để áp dụng cho con bạn phải không nào? Nếu được các bạn nên hạn chế cho trẻ tiếp xúc với các thiết bị này khi còn nhỏ mà tập trung vào sách, hay những hình ảnh sinh động cụ thể hơn để trẻ có thể tư duy và phát triển.

1. Yêu cầu đối với nhân viên làm trực tiếp với các thiết bị điện

  • Về tuổi: ≥ 18 tuổi.
  • Về sức khỏe : phải qua kiểm tra đủ sức khỏe, không bị tim, mắt nhìn rõ.
  • Phải có kiến thức, hiểu biết về điện, có khả năng ứng dụng các quy phạm về điện, biết cấp cứu người bị điện giật.

Ví dụ: Công nhân bậc thợ và bậc an toàn cao mới có quyền thao tác một mình (bậc thợ tương đương hiểu bác về sợ đồ thiết bị; bậc an toàn về an toàn điện).

Hình 1. Công nhân bậc thợ và bậc an toàn cao mới có quyền thao tác một mình.

2. Tổ chức làm việc

Hình 2. Tổ chức làm việc để đảm bảo an toàn.

– Phải có phiếu làm nhiệm vụ (có ký giao nhận) ghi rõ làm việc gì, nơi làm việc, thời gian, yêu cầu bậc thợ, số người cùng làm việc, phạm vi.. vi phạm về thời gian, nơi khác căn cứ phiếu công tác sẽ đóng điện làm thợ đang sửa chữa bị tai nạn.  

– Ghi rõ điều kiện an toàn (phải đi ủng, mang găng tay, sào cách đất, nối đất,…)

Hình 3. Các dụng cụ bảo hộ an toàn.

– Phiếu công tác phải có hai bản:

  • Một bản để ở phòng quản lý giao việc.
  • Một bản giao cho công nhân thi hành.

Các phiếu công tác phải được nhân viên chuyên môn kiểm tra. Khi tiến hành chỉ có người chỉ huy mới có quyền ra lệnh làm việc. Trược khi làm việc người chỉ huy phải hướng dẫn trực tiếp tại chỗ về nơi làm việc, nội dung công việc, những chỗ có điện nguy hiểm, những quy định về an toàn, chỗ cần nối đất, cần che chắn,.. Sau khí hướng dẫn xong, tất cả thành viên của tổ phải kí vào phiếu giao nhiệm vụ.

Kiểm tra trong thời gian làm việc: tất cả các công việc cần tiếp xúc với mạng điện, cần trèo cao, làm việc trong phòng kín cần ít nhất hai người, người lãnh đạo là thợ bậc cao chỉ huy, theo dõi và kiểm tra công việc. Tuy nhiên, khi công việc quá phức tạp, cần thợ bậc cao tiến hành thì người lãnh đạo phải tiến hành công việc và cử người khác trong tổ giám sát theo dõi. Trong thời gian tiến hành công việc, người theo dõi không phải làm bất cứ công việc gì mà chỉ chuyên trách về các nguyên tắc kỹ thuật an toàn cho tổ.

1. Phân loại công trình

Hình 1. Công trình nguy hiểm.

Ảnh hưởng của môi trường xung quanh như bụi, độ ẩm, nhiệt độ… tác động rất lớn đến sự nguy hiểm về điện gây cho người, vì vậy theo quan điểm an toàn điện các công trình được phân thành:

  • Công trình ít nguy hiểm là các công trình có chỗ làm việc khô ráo (độ ẩm tương đôi
  • Công trình nguy hiểm là những công trình có môi trường làm việc với độ ẩm từ 75% đến 97%, có nhiệt độ môi trường xung quanh
  • Công trình đặc biệt nguy hiểm là những công trình có ít nhất một trong các yêu tố sau: môi trường làm việc với độ ẩm > 97%, có nhiệt độ môi trường xung quanh > 30°C, có bụi dẫn điện (bụi than, bụi kim loại), phần kim loại nối đất khá nhiều (chiếm đến 60%) bề mặt vùng làm việc), sàn nhà làm bằng vật liệu dẫn điện như đất, bê tông; môi trường có hoá chất ăn mòn.

Hình 2. Các yếu tố nguy hiểm trên công trường.

2. Phân loại trang thiết bị điện

Tùy theo điện áp làm việc mà các trang thiết bị điện được phân thành:

  • Trang thiết bị có điện áp cao U > 1000V.
  • Trang thiết bị có điện áp thấp U
  • Tùy theo việc bố trí vị trí mà các trang thiết bị điện được phân thành:
  • Trang thiết bị điện cố định là các trang thiết bị được bố trí vị trí cố định.
  • Trang thiết bị điện di động là các trang thiết bị không được bố trí vị trí cố định và có thể chuyển từ vị trí này sang vị trí khác sau khi đã cắt ra khỏi nguồn điện.

Trang thiết bị điện cầm tay là trang thiết bị điện có cấu tạo đặc biệt sao cho trong thời gian làm việc có thể mang đi lại dễ dàng. Đây là loại trang thiết bị có mức nguy hiểm cao nhất vì thời gian người sử dụng tiếp xúc với thiết bị nhiều, cách điện dễ bị hư hỏng do va đập, do phải làm việc trong các điều kiện bất lợi nhất,…

Hình 3. Các trang thiết bị điện.

1. Hiện tượng dòng điện đi trong đất

Do hư hỏng cách điện, mạch điện chạm đất làm cho dòng điện sự cố tản ra trong đất dẫn đến giữa các điểm khác nhau trong đất sẽ có sự chênh lệch điện áp.

Hình 1. Dòng điện tản trong đất.

Giả sử dòng điện sự cố tản vào trong đất qua một cực nối đất bằng kim loại có dạng bán cầu, được chôn trong đất đồng nhất có điện trở suất bằng p. Trường hợp này có thể xem dòng điện có đường đi theo bán kính từ tâm hình cầu.

Mật độ dòng điện ở khoảng cách x kể từ tâm bán cầu:

  • Ở đây: px2 là diện tích mặt bán cầu có bán kính xI là dòng điện chạm đất.

Vùng quanh cực nối đất mà dòng điện tản đi qua gọi là “trường tản dòng điện”. Đối với dòng điện một chiều hay dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp, khi nghiên cứu có thể xem là một điện trường đều.

Mật độ dòng điện xác định theo định luật Ohm dưới dạng vi phân:

Từ đó, cường độ điện trường trong trường dòng điện tức là điện áp rơi trên đơn vị dài dọc theo trường dòng điện được xác định theo biểu thức:

E = j.p

Điện áp rơi trên lớp đất có chiều dày dx dọc theo đường điện:

dU = E.dx = j.p.dx

Điện thế của A cách điểm chạm đất khoảng cách x là hiệu số điện thế giữa điểm A và điểm ∞ mà ở đó điện thế có thể lấy bằng 0.

 

Bằng thí nghiệm đo đạt thực tế, đối với các cực nối đất có dạng thanh, cọc, tấm phân bố điện áp cũng có dạng hyperbol.

Trong trường hợp dây dẫn mang điện bị đứt và rơi xuống đất, phân bố điện áp được trình bày như hình sau.

Hình 2. Quan hệ giữa Uđ và khoảng cách x từ cực nối đất.

Dòng điện tản ra từ cực nối đất ra có thể xem như đang chạy trong một dây dẫn (đất) mà tiết diện tăng theo bậc 2 của bán kính cầu q = 2πx2.

Điện trở tản dòng điện sẽ lớn nhất ở lớp đất phần cực nối đất vì khi đó dòng điện chạy qua một tiết diện nhỏ (ở các điểm đó điện áp rơi lớn nhất) càng xa cực nối đất tiết diện dây dẫn càng tăng nhanh, điện trở của nó giảm xuống và trị số điện áp rơi cũng giảm.

Nhận thấy có khoảng 68% điện áp trên cực nối đất tổn hao trên đoạn dài 1m, 24% trên đoạn dài từ (1 – 10)m và 8% trên đoạn dài từ (10 – 20)m kể từ cực nối đất.

Ngoài phạm vi 20m cách cực nối đất (hoặc điểm ngắn mạch chạm đất), tiết diện dây dẫn (đất) sẽ tăng rất lớn nên điện trở xem như không đáng kể (mật độ dòng điện xem như bằng 0).

Như vậy, điện thế của các điểm nằm cách điểm nối đất lớn hơn 20m có thể xem như bằng 0.

Thông thường bộ phận nối đất không phải chỉ có một cọc mà nhiều cọc nối với nhau bằng các thanh kim loại dẹp hoặc tròn. Trường hợp này, sự phân bố điện áp có dạng thoải hơn (đường cong 2). Vì vậy, độ chênh lệch điện áp của cùng một điểm so với đất sẽ lớn hơn lúc chỉ có một cọc nối đất.

Các thành phần điện trở của bộ phận nối đất bao gồm:

  • Điện trở tản của cực nối đất (kể cả điện trở tiếp xúc).
  • Điện trở thuần của bản thân cực nối đất và dây nối đất. Các điện trở này có giá trị nhỏ nên có thể bỏ qua trong một số các trường hợp.

2. Điện áp bước

Điện áp bước là điện áp mà con người phải chịu khi chân tiếp xúc tại hai điểm trên mặt đất hay trên sàn, nằm trong phạm vi dòng điện chạy trong đất, do đó có sự chênh lệch điện thế giữa hai chân người.

Sự phân bố điện áp bước xảy ra khi xuất hiện dòng điệnngắn mạch chạm đất của một pha trong mạng điện.

Hình 3. Điện áp bước.

Khi dòng điện chạy qua hệ thống nối đất để đi vào trong đất hay dây dẫn có điện áp bị đứt rơi trên mặt đất, thì đất sẽ là điện trở tản với dòng điện này.

Ở ngay tại điểm chạm đất, điện áp so với đất sẽ là:

Uđ = Iđ.Rđ

Các điểm ở cách đều điểm chạm đất có điện thế bằng nhau (các vòng tròn đẳng thế).

Người đứng hai chân trên hai điểm có điện thế khác nhau thì sẽ chịu tác động của một điện áp. Hiệu điện thế đặt vào hai chân người đứng ở hai điểm có chênh lệch điện thế do dòng điệnngắn mạch trong đất gọi là điện áp bước.

Điện áp bước xác định bằng biểu thức sau:

Ở đây:

  • a: là độ lớn bước chân người, khi tính toán lấy bằng 0,8m.
  • x: là khoảng cách từ điểm chạm đất đến chân người.

Từ biểu thức, nhận thấy khi càng xa điểm ngắn mạch chạm đất (hoặc cực nối đất) thì mẫu số càng tăng và trị số Ub sẽ giảm xuống. Ngoài khoảng cách 20m điện áp xem như bằng 0.

Ở sát nơi có ngắn mạch chạm đất, điện áp bước Ub cũng có thể bằng 0 nếu hai chân người đứng trên cùng một vòng tròn đẳng áp (điểm c và d).

Giới hạn cho phép của trị số điện áp bước không quy định ở các tiêu chuẩn hiện hành vì trị số Ub lớn thường do các dòng điệnngắn mạch chạm đất lớn gây ra và như vậy nó sẽ bị cắt ngay tức thời bởi các thiết bị bảo vệ.

Các trị số Ub nhỏ (không gây nguy hiểm cho người do đặc điểm các tác dụng sinh lý của mạch điện từ chân qua chân).

Mặc dù dòng điện đi trong mạch chân-chân tương đối ít nguy hiểm nhưng với điện áp Ub = 100 – 250V chân có thể bị co rút và người bị ngã xuống đất. Lúc này điện áp đặt vào người tăng lên và đường dòng điện đi qua theo mạch chính tay – chân.

Nếu thiết bị bảo vệ không cắt được dòng điệnngắn mạch thì được dòng điện đi qua theo mạch tay-chân sẽ gây ra tai nạn điện.

Khi xảy ra chạm đất phải cấm người đến gần chỗ bị chạm với khoảng cách sau:

3. Điện áp tiếp xúc

Giả sử có hai thiết bị điện vỏ bọc kim loại được nối với bộ phận nối đất (điện trở nối đất Rđ) thì đối với bất kỳ thiết bị nào chạm vỏ sự phân bố điện áp trong đất cũng có dạng đường cong 1. Cực nối đất và các vỏ kim loại nối với nó có điện áp so với đất bằng:

Uđ = Iđ.Rđ

Người chạm vào vỏ kim loại của bất kỳ thiết bị nào (nguyên vẹn hoặc chạm vỏ) cũng sẽ chịu một điện áp bằng Uđ. Mặt khác, điện áp ở chân người ux phụ thuộc vào khoảng cách từ đó đến cực nối đất. Như vậy, người sẽ chịu tác dụng của điện áp tiếp xúc UT. Điện áp tiếp xúc là hiệu điện thế giữa Uđ và ux.

Điện áp tiếp xúc UT càng tăng khi càng cách xa cực nối đất. Ở khoảng cách 20m thì UT = Uđ.

Hình 4. Điện áp tiếp xúc trong vùng dòng điệnngắn mạch chạm vỏ.

Người đứng ở ngay trên cực nối đất (điểm 0) sẽ chịu một điện áp tiếp xúc bằng 0 (UT = Uđ – Uđ = 0).

Ngược lại, nếu chạm vào thiết bị 2 (TB2), người sẽ chịu điện áp tiếp xúc cực đại UT = Uđ.

Từ những giả thiết trên rút ra nhận xét sau:

  • Khi người chạm vỏ thiết bị kim loại có nối đất của một thiết bị nào đó (trong mạch nối đất có một thiết bị bị chạm vỏ) thì người chịu một điện áp tiếp xúc có trị số bằng một phần điện áp so với đất, nghĩa là:

Ut = α.Uđ (Với α là hệ số tiếp xúc)

  • Đường cong 2 biểu thị sự biến thiên của điện áp tiếp xúc theo khoảng cách tới cực nối đất.
  • Giới hạn cho phép của điện áp tiếp xúc không quy định trong các quy phạm hiện hành. Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất thiết bị điện, điện áp tiếp xúc không quá 50V, còn đối với các thiết bị phân phối, mà ở đó có các biện pháp bảo vệ phụ thì giá trị điện áp tiếp xúc có thể cho phép đến 250V.
  • Đường cong phân bố điện áp Uđ phụ thuộc vào cấu tạo của bộ phận nối đất (một cọc nối đất hoặc một tổ hợp các cọc nối đất) có thể dốc (đường 1) hoặc thoải (đường 2). Điện áp tiếp xúc Uy sẽ có trị số nhỏ hơn nếu đường cong phân bố điện áp thoai thoải. Độ chênh lệch điện áp giữa điểm 0 và điểm cách nó 0,8m (lấy bằng khoảng cách của một bước chân người) sẽ khác nhaụ tùy thuộc vào đường cong 1 và 2 (UT1 > UT2). Như vậy, khi bộ phận nối đất trải rộng trên một diện tích lớn thì điện áp tiếp xúc sẽ nhỏ.

1. Tác dụng kích thích

Dưới tác dụng của dòng điện, các cơ co bóp hỗn loạn dẫn đến tắt thở, tim ngừng đập. Chỉ với một dòng điện không lớn lắm, các cơ ngực đã bị co rút làm ngừng hô hấp. Nếu không được cứu chữa kịp thời do thiếu oxy, tim sẽ ngừng đập. Với một dòng điện lớn hơn các thớ cơ tim co bóp hỗn loạn, quá trình tuần hoàn bị ngừng lại và tim nhanh chóng ngừng đập.

Với hệ thần kinh trung ương, dòng điện gây nên triệu chứng sốc điện. Đối với sốc điện, nạn nhân có thể phản ứng mạnh lúc ban đầu, nhưng sau đó các cảm giác dần dần bị tê liệt, nạn nhân chuyển dần sang trạng thái mê man dẫn đến tử vong. Đây là tác dụng kích thích.

2. Tác dụng gây chấn thương

Cơ thể con người còn bị thương tích bên ngoài do sự đốt cháy bởi hồ quang điện. Nó tạo nên sự hủy diệt lớp da ngoài, đôi khi sâu hơn nữa có thể hủy diệt các cơ bắp, lớp mỡ, gân và xương. Nếu sự đốt cháy bởi hồ quang xảy ra trong một diện tích khá rộng trên người thì có thể dẫn đến tử vong. Đây là tác dụng gây chấn thương.

Thông thường đốt cháy do dòng điện gây nên nguy hiểm hơn sự đốt cháy do các nguyên nhân khác, vì sự đốt cháy do dòng điện gây nên đốt nóng toàn thân, nó sẽ phá hủy các bộ phận trên cơ thể từ bên trong ra ngoài. Tai nạn càng trầm trọng hơn nếu giá trị của dòng điện càng lớn và thời gian duy trì dòng điện càng dài.

Hình 1. Điện giật có thể gây chấn thương lớn tới cơ thể người.

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tai nạn điện giật

Các yếu tố ảnh hưởng đến tai nạn điện giật bao gồm: tình trạng cơ thể và phản ứng của nạn nhân, đường đi và thời gian tồn tại của dòng điện qua các bộ phận của cơ thể người, cường độ dòng điện và tần số dòng điện, giá trị điện áp tiếp xúc,…

3.1. Đặc tuyến dòng điện – thời gian (A-s)

Giá trị dòng điện qua người là một trong các yếu tố quyết định gây nguy hiểm cho người. Qua nghiên cứu và phân tích các tai nạn điện, thấy rằng đối với dòng điện xoay chiều, tần số 50-60Hz, giá trị an toàn cho người phải nhỏ hơn 10mA. Đối với dòng điện một chiều thì trị số này phải nhỏ hơn 50mA.

Thời gian điện giật có ảnh hưởng lớn đến tình trạng nguy hiểm của người khi bị điện giật và khác nhau đối với tình trạng sức khỏe mỗi người.

Bảng 1. Quan hệ Imax và t để tim không ngừng đập.

Dòng điện Imax (mA)

10

60

90

110

160

250

Thời gian điện giật t (s)

30

10

3

2

1

0,4

Tiêu chuẩn IEC60479-1 xây dựng đặc tuyến thời gian – dòng điện (đặc tuyến Ampe – giây) gây tác hại lên cơ thể người đối với dòng điện xoay chiều tần số từ 15Hz – 100Hz.

Hình 2. Vùng tác động của thời gian và dòng điện lên cơ thể người.

Bảng 2. Các hiệu ứng vật lý tương ứng với dòng điện và thời gian

Mã vùng

Giới hạn vùng

Các hiệu ứng vật lý

AC-1

Đến 0.5mA

Đường A

Không phản ứng

AC-2

Từ 0.5mA

Đến đường B

Không gây tác hại về sinh lý

AC-3

Đường B đến đường C1

Bắp thịt co lại và gây khó thở khi thời gian tồn tại dòng điện quá 2s. Gây rối loạn nhịp tim hoặc tim ngừng đập tạm thời khi gia tăng cường độ và thời gian

AC-4

Trên đường C1

Cùng với sự gia tăng cường độ và thời gian, xuất hiện các hiệu ứng nguy hiểm về sinh lý như: tim ngừng đập, ngừng hô hấp và một vài hiện tượng đã xuất hiện ở vùng AC-3.

AC-4-1

Giữ đường C1 và C2

Xác xuất nghẹt tâm thất đến 5%

AC-4-2

Giữa đường C2 và C3

Xác xuất nghẹt tâm thất đến 50%

AC-4-3

Ngoài đường cong C3

Xác xuất nghẹt tâm thất > 50%

3.2. Đặc tuyến điện áp – thời gian

Tiêu chuẩn IEC 60479-1 xây dựng đường cong an toàn. Đây là quan hệ giữa điện áp tiếp xúc Ur (V) và thời gian dòng điện đi qua người t(s). Theo đường cong an toàn này, với điện áp có giá trị UT T = 50V, thời gian cho phép dòng điện qua người là 5s. Trong thực tế, do giá trị điện trở người thay đổi trong phạm vi rất rộng, vì vậy để an toàn cho người trong mọi trường hợp, điện áp tiếp xúc cần có giá trị UT 

Hình 3. Đường cong an toàn.

3.3. Tổng trở người

Khi người chạm vào hai cực của nguồn điện hay hai điểm của một mạch điện, cơ thể người sẽ trở thành một bộ phận của mạch điện. Tổng trở của người là trị số điện trở đo được giữa hai điện cực đặt trên cơ thể người. Có thể chia tổng trở người thành: điện trở lớp da ở chỗ hai điện cực đặt lên và điện trở bên trong cơ thể.

Hình 4. Sơ đồ tương đương của điện trở người.

Cơ thể con người có thể được xem như một điện trở có những trị số từ 10.000W đến 100.000W. Sự phân bố điện trở của con người tạm chia ra gồm: lớp sừng trên da (dầy khoảng từ 0,05 – 2 cm) có điện trở lớn nhất, tiếp theo là xương và da có điện trở tương đối lớn, thịt và máu có điện trở thấp nhất. Nếu mất lớp sừng trên da (bị ẩm ướt do mồ hôi, bị thương rách da) thì điện trở của người chỉ còn 80 – 1000W. Mất hết lớp da điện trở của người chỉ còn 60 – 800W.

Điện trở của người không phải cố định mà thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tình trạng của lớp sừng trên da, diện tích và áp suất tiếp xúc, cường độ và loại dòng điện đi qua người, thời gian tiếp xúc, tần số dòng điện và trạng thái bệnh lý của người.

Khi da bị ướt hay có mồ hôi, điện trở của người giảm. Diện tích tiếp xúc càng lớn thì điện trở của người càng nhỏ.

Khi áp suất tiếp xúc lớn hơn 1 kg/cm2 thì điện trở của người gần như tỉ lệ thuận với áp suất tiếp xúc.

Thời gian tác dụng càng lâu, điện trở người càng giảm vì da bị nóng, ra mồ hôi và do những biến đổi điện phân trong cơ thể.

Hình bên dưới trình bày giá trị tổng trở cơ thể người ZH (Q) theo điện áp tiếp xúc của người đang sống, có dòng điện đi từ tay đến tay hay từ tay đến chân với diện tích tiếp xúc rộng từ 50 – 100cmvà trong điều kiện khô ráo với tỷ lệ phần trăm (5%, 50% và 95%).

Hình 5. Giá trị điện trở người theo điện áp tiếp xúc.

Giá trị danh định điện trở các phần trên cơ thể con người tùy thuộc trạng thái tiếp xúc và tình trạng bề mặt của cơ thể con người (khô hay ẩm) được trình bày ở Bảng 1.3.

Bảng 3. Giá trị điện trở người theo tình trạng tiếp xúc.

Tình trạng tiếp xúc

Điện trở của người khi khô

Điện trở của người khi ướt

Chạm ngón tay

40kΩ – 1MΩ

4kΩ – 15kΩ

Tay chạm dây

10kΩ – 50kΩ

3kΩ – 6kΩ

Tay cầm kìm

5kΩ – 10kΩ

1kΩ – 3kΩ

Lòng bàn tay chạm dây

3kΩ – 8kΩ

1kΩ – 2kΩ

Tay cầm máy khoan

1kΩ – 3kΩ

0,5kΩ – 1,5kΩ

Tay ướt

200Ω – 500Ω

Chân ướt

200Ω – 1000Ω

Trong tính toán, để đảm bảo an toàn thường lấy giá trị điện trở tính toán là Rng = 1000W.

3.4. Đường đi dòng điện qua người

Người ta đo phân lượng dòng điện đi qua tim để đánh giá mức độ nguy hiểm của dòng điện khi đi qua cơ thể người.

  • Từ tay trái đến một hay hai chân: thừa số 1,0.
  • Từ tay phải đến một hay hai chân: thừa số 0,8.
  • Từ lưng đến hai tay: thừa số 0,7.
  • Từ ngực đến hai tay: thừa số 1,5.
  • Từ mông đến tay: thừa số 0,7.

Từ đây, nhận thấy rằng trường hợp nguy hiểm nhất là trường hợp dòng điện đi từ ngực đến tay trái. Tuy nhiên, trường hợp này lại ít xảy ra trong thực tế.

Trường hợp thường xảy ra là trường hợp dòng điện đi từ tay phải đến một trong hai chân vì phần lớn con người thuận tay phải.

Hình 6. Phân lượng dòng điện qua tim.

3.5. Tần số dòng điện

Dòng điện một chiều được coi là ít nguy hiểm hơn dòng điện xoay chiều và đặc biệt là dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp 50Hz – 60Hz. Điều này có thể giải thích là do dòng điện tần số công nghiệp tạo nên sự rối loạn mà con người khó có thể tự giải phóng dưới tác dụng của dòng điện, dù cho nó có giá trị bé.

Dòng điện tần số càng cao càng ít nguy hiểm. Dòng điện có tần số trên 500.000Hz không gây giật vì tác động nhanh hơn thời gian cảm ứng của các cơ (hiệu ứng bì) nhưng cũng có thể gây bỏng.

Tác dụng đối người ở các dải tần số khác nhau được trình bày ở Bảng 4.

Bảng 4. Tác hại đối với người với các dải tần khác nhau.

Dải tần số

Tên gọi

Ứng dụng

Tác hại

DC-10 kHz

Tần số thấp

Mạng điện dân dụng và công nghiệp

Phát nhiệt, phá huỷ tế bào cơ thể

100 kHz – 100 MHz

Tần số radio

Đốt điện, nhiệt điện

Phát nhiệt, gia nhiệt điện môi tế bào sống

1000 MHz – 100 GHz

Sóng Microware

Lò viba

Gia nhiệt nước

Hình 7. Tỉ lệ ngưỡng dòng điện đối với hậu quả sinh lí.

3.6. Môi trường xung quanh

Nhiệt độ và độ ẩm ảnh hưởng đến điện trở của người và các vật cách điện xung quanh nên cũng làm thay đổi dòng điện đi qua người. Khi độ ẩm của môi trường xung quanh càng lớn thì độ dẫn điện của lớp da sẽ tăng lên, tức là điện trở người sẽ nhỏ lại. Bên cạnh độ ẩm thì mồ hôi, các chất hóa học khác sẽ làm tăng độ dẫn điện của da, cuối cùng làm giảm điện trở người và dẫn đến việc gia tăng mức độ nguy hiểm khi bị điện giật.

3.7. Điện áp cho phép

Vì việc bảo vệ an toàn xuất phát từ một điện áp dễ hình dung hơn giá trị dòng điện qua người, nên trong thực tế luôn đòi hỏi phải quy định các giá trị điện áp mà con người có thể chịu đựng được.

Giá trị điện áp cho phép phụ thuộc vào loại mạng phân phối điện và thời gian ngắt sự cố của thiết bị bảo vệ. Chính vì vậy, đôi khi thay vì quy định điện áp cho phép, trong một số trường hợp lại quy định thời gian ngắt sự cố lớn nhất của thiết bị bảo vệ ứng với cấp điện áp cho trước.

Tiêu chuẩn IEC 60038, với điện áp chạm quy ước là 50V trong điều kiện bình thường, quy định:

  • Đối với hệ thống TT, điện áp tiếp xúc cho phép lớn nhất (điện áp chạm quy ước) trong điều kiện bình thường là 50V.
  • Đối với hệ thống TN, thời gian ngắt sự cố lớn nhất tmax(s) tương ứng với điện áp hiệu dụng xoay chiều so với đất Uo(V), trình bày ở Bảng 1.5.
  • Đốì với hệ thống IT, thời gian ngắt lớn nhất tmax(s) tương ứng với điện áp hiệu dụng xoay chiều pha-trung tính/pha-pha U0/U(V), khi xảy ra sự cố lần thứ hai, trình bày ở Bảng 5.

Bảng 5. Thời gian ngắt lớn nhất với hệ thống TN.

Uo(V)

Imax(s)

120

0,8

230

0,4

277

0,4

400

0,2

> 400

0,1

Bảng 1.6. Thời gian ngắt lớn nhất với hệ thống IT.

Điện áp danh định

U0/U

Tmax (s)

Không có dây trung tính

dây trung tính

120/240

0,8

5

230/400

0,4

0,8

400/690

0,2

0,4

580/1000

0,1

0,2

1. Hiện tượng dòng điện đi trong đất

Do hư hỏng cách điện, mạch điện chạm đất làm cho dòng điện sự cố tản ra trong đất dẫn đến giữa các điểm khác nhau trong đất sẽ có sự chênh lệch điện áp.

Hình 1. Dòng điện tản trong đất.

Giả sử dòng điện sự cố tản vào trong đất qua một cực nối đất bằng kim loại có dạng bán cầu, được chôn trong đất đồng nhất có điện trở suất bằng p. Trường hợp này có thể xem dòng điện có đường đi theo bán kính từ tâm hình cầu.

Mật độ dòng điện ở khoảng cách x kể từ tâm bán cầu:

  • Ở đây: px2 là diện tích mặt bán cầu có bán kính xI là dòng điện chạm đất.

Vùng quanh cực nối đất mà dòng điện tản đi qua gọi là “trường tản dòng điện”. Đối với dòng điện một chiều hay dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp, khi nghiên cứu có thể xem là một điện trường đều.

Mật độ dòng điện xác định theo định luật Ohm dưới dạng vi phân:

Từ đó, cường độ điện trường trong trường dòng điện tức là điện áp rơi trên đơn vị dài dọc theo trường dòng điện được xác định theo biểu thức:

E = j.p

Điện áp rơi trên lớp đất có chiều dày dx dọc theo đường điện:

dU = E.dx = j.p.dx

Điện thế của A cách điểm chạm đất khoảng cách x là hiệu số điện thế giữa điểm A và điểm ∞ mà ở đó điện thế có thể lấy bằng 0.

 

Bằng thí nghiệm đo đạt thực tế, đối với các cực nối đất có dạng thanh, cọc, tấm phân bố điện áp cũng có dạng hyperbol.

Trong trường hợp dây dẫn mang điện bị đứt và rơi xuống đất, phân bố điện áp được trình bày như hình sau.

Hình 2. Quan hệ giữa Uđ và khoảng cách x từ cực nối đất.

Dòng điện tản ra từ cực nối đất ra có thể xem như đang chạy trong một dây dẫn (đất) mà tiết diện tăng theo bậc 2 của bán kính cầu q = 2πx2.

Điện trở tản dòng điện sẽ lớn nhất ở lớp đất phần cực nối đất vì khi đó dòng điện chạy qua một tiết diện nhỏ (ở các điểm đó điện áp rơi lớn nhất) càng xa cực nối đất tiết diện dây dẫn càng tăng nhanh, điện trở của nó giảm xuống và trị số điện áp rơi cũng giảm.

Nhận thấy có khoảng 68% điện áp trên cực nối đất tổn hao trên đoạn dài 1m, 24% trên đoạn dài từ (1 – 10)m và 8% trên đoạn dài từ (10 – 20)m kể từ cực nối đất.

Ngoài phạm vi 20m cách cực nối đất (hoặc điểm ngắn mạch chạm đất), tiết diện dây dẫn (đất) sẽ tăng rất lớn nên điện trở xem như không đáng kể (mật độ dòng điện xem như bằng 0).

Như vậy, điện thế của các điểm nằm cách điểm nối đất lớn hơn 20m có thể xem như bằng 0.

Thông thường bộ phận nối đất không phải chỉ có một cọc mà nhiều cọc nối với nhau bằng các thanh kim loại dẹp hoặc tròn. Trường hợp này, sự phân bố điện áp có dạng thoải hơn (đường cong 2). Vì vậy, độ chênh lệch điện áp của cùng một điểm so với đất sẽ lớn hơn lúc chỉ có một cọc nối đất.

Các thành phần điện trở của bộ phận nối đất bao gồm:

  • Điện trở tản của cực nối đất (kể cả điện trở tiếp xúc).
  • Điện trở thuần của bản thân cực nối đất và dây nối đất. Các điện trở này có giá trị nhỏ nên có thể bỏ qua trong một số các trường hợp.

2. Điện áp bước

Điện áp bước là điện áp mà con người phải chịu khi chân tiếp xúc tại hai điểm trên mặt đất hay trên sàn, nằm trong phạm vi dòng điện chạy trong đất, do đó có sự chênh lệch điện thế giữa hai chân người.

Sự phân bố điện áp bước xảy ra khi xuất hiện dòng điệnngắn mạch chạm đất của một pha trong mạng điện.

Hình 3. Điện áp bước.

Khi dòng điện chạy qua hệ thống nối đất để đi vào trong đất hay dây dẫn có điện áp bị đứt rơi trên mặt đất, thì đất sẽ là điện trở tản với dòng điện này.

Ở ngay tại điểm chạm đất, điện áp so với đất sẽ là:

Uđ = Iđ.Rđ

Các điểm ở cách đều điểm chạm đất có điện thế bằng nhau (các vòng tròn đẳng thế).

Người đứng hai chân trên hai điểm có điện thế khác nhau thì sẽ chịu tác động của một điện áp. Hiệu điện thế đặt vào hai chân người đứng ở hai điểm có chênh lệch điện thế do dòng điệnngắn mạch trong đất gọi là điện áp bước.

Điện áp bước xác định bằng biểu thức sau:

Ở đây:

  • a: là độ lớn bước chân người, khi tính toán lấy bằng 0,8m.
  • x: là khoảng cách từ điểm chạm đất đến chân người.

Từ biểu thức, nhận thấy khi càng xa điểm ngắn mạch chạm đất (hoặc cực nối đất) thì mẫu số càng tăng và trị số Ub sẽ giảm xuống. Ngoài khoảng cách 20m điện áp xem như bằng 0.

Ở sát nơi có ngắn mạch chạm đất, điện áp bước Ub cũng có thể bằng 0 nếu hai chân người đứng trên cùng một vòng tròn đẳng áp (điểm c và d).

Giới hạn cho phép của trị số điện áp bước không quy định ở các tiêu chuẩn hiện hành vì trị số Ub lớn thường do các dòng điệnngắn mạch chạm đất lớn gây ra và như vậy nó sẽ bị cắt ngay tức thời bởi các thiết bị bảo vệ.

Các trị số Ub nhỏ (không gây nguy hiểm cho người do đặc điểm các tác dụng sinh lý của mạch điện từ chân qua chân).

Mặc dù dòng điện đi trong mạch chân-chân tương đối ít nguy hiểm nhưng với điện áp Ub = 100 – 250V chân có thể bị co rút và người bị ngã xuống đất. Lúc này điện áp đặt vào người tăng lên và đường dòng điện đi qua theo mạch chính tay – chân.

Nếu thiết bị bảo vệ không cắt được dòng điệnngắn mạch thì được dòng điện đi qua theo mạch tay-chân sẽ gây ra tai nạn điện.

Khi xảy ra chạm đất phải cấm người đến gần chỗ bị chạm với khoảng cách sau:

3. Điện áp tiếp xúc

Giả sử có hai thiết bị điện vỏ bọc kim loại được nối với bộ phận nối đất (điện trở nối đất Rđ) thì đối với bất kỳ thiết bị nào chạm vỏ sự phân bố điện áp trong đất cũng có dạng đường cong 1. Cực nối đất và các vỏ kim loại nối với nó có điện áp so với đất bằng:

Uđ = Iđ.Rđ

Người chạm vào vỏ kim loại của bất kỳ thiết bị nào (nguyên vẹn hoặc chạm vỏ) cũng sẽ chịu một điện áp bằng Uđ. Mặt khác, điện áp ở chân người ux phụ thuộc vào khoảng cách từ đó đến cực nối đất. Như vậy, người sẽ chịu tác dụng của điện áp tiếp xúc UT. Điện áp tiếp xúc là hiệu điện thế giữa Uđ và ux.

Điện áp tiếp xúc UT càng tăng khi càng cách xa cực nối đất. Ở khoảng cách 20m thì UT = Uđ.

Hình 4. Điện áp tiếp xúc trong vùng dòng điệnngắn mạch chạm vỏ.

Người đứng ở ngay trên cực nối đất (điểm 0) sẽ chịu một điện áp tiếp xúc bằng 0 (UT = Uđ – Uđ = 0).

Ngược lại, nếu chạm vào thiết bị 2 (TB2), người sẽ chịu điện áp tiếp xúc cực đại UT = Uđ.

Từ những giả thiết trên rút ra nhận xét sau:

  • Khi người chạm vỏ thiết bị kim loại có nối đất của một thiết bị nào đó (trong mạch nối đất có một thiết bị bị chạm vỏ) thì người chịu một điện áp tiếp xúc có trị số bằng một phần điện áp so với đất, nghĩa là:

Ut = α.Uđ (Với α là hệ số tiếp xúc)

  • Đường cong 2 biểu thị sự biến thiên của điện áp tiếp xúc theo khoảng cách tới cực nối đất.
  • Giới hạn cho phép của điện áp tiếp xúc không quy định trong các quy phạm hiện hành. Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất thiết bị điện, điện áp tiếp xúc không quá 50V, còn đối với các thiết bị phân phối, mà ở đó có các biện pháp bảo vệ phụ thì giá trị điện áp tiếp xúc có thể cho phép đến 250V.
  • Đường cong phân bố điện áp Uđ phụ thuộc vào cấu tạo của bộ phận nối đất (một cọc nối đất hoặc một tổ hợp các cọc nối đất) có thể dốc (đường 1) hoặc thoải (đường 2). Điện áp tiếp xúc Uy sẽ có trị số nhỏ hơn nếu đường cong phân bố điện áp thoai thoải. Độ chênh lệch điện áp giữa điểm 0 và điểm cách nó 0,8m (lấy bằng khoảng cách của một bước chân người) sẽ khác nhaụ tùy thuộc vào đường cong 1 và 2 (UT1 > UT2). Như vậy, khi bộ phận nối đất trải rộng trên một diện tích lớn thì điện áp tiếp xúc sẽ nhỏ.

1. Mục đích, ý nghĩa của bảo vệ nối dây trung tính

Bảo vệ nối dây trung tính tức là nối các bộ phận không mang điện áp với dây trung tính, dây trung tính này được nối đất ở nhiều chỗ. Bảo vệ nối dây trung tính dùng thay cho bảo vệ nối đất trong các mạng điện 4 dây điện áp thấp 380/220V và 220/110V nếu trung tính của các mạng này trực tiếp nối đất.

Ý nghĩa của việc thay thế này là xuất phát từ chỗ bảo vệ nối đất cho mạng điện dưới 1kV khi trung tính có nối đất không đảm bảo điều kiện an toàn. Điều này có thể giải thích bằng ví dụ sau đây:

Hình 1. Sơ đồ bảo vệ nối đất cho mạng điện dưới 1kV.

Lúc cách điện của thiết bị bị chọc thủng ra vỏ sẽ có dòng điện đi vào đất có biểu thức gần đúng:

Trị số dòng điện này không phải lúc nào cũng đủ để cho dây chảy của cầu chì bị chảy hay làm cho bảo vệ tác động cắt chỗ bị hư hỏng.

Ví dụ chúng ta có mạng điện 380/220V, r0 = rđ = 4 Ω.

Như vậy dòng điện đi qua đất: Iđ = 27,5 A

Với trị số dòng điện như vậy chỉ làm chảy dây chảy của loại cầu chì bé với dòng điện định mức: Iđm = 11 A

Nếu dòng điện nói trên tồn tại lâu thì trên vỏ thiết bị sẽ có điện áp bằng:

Nếu r0 = rđ, điện áp có trị số bằng nửa điện áp pha và ở điều kiện khác còn có trị số lớn hơn.

Giảm điện áp này đến mức độ an toàn bằng cách chọn đúng sự tương quan giữa r0 và rđ:

Trị số 40V là điện áp giáng trên vỏ thiết bị nếu xảy ra va chạm vỏ. Theo quy trình điện trở r0 lấy bằng 4 Ω cho mạng điện áp bé hơn 1kV. Dòng điện đi qua vỏ thiết bị vào đất lấy trường hợp có trị số lơn nhất là 10A. Vì thế Uđ = 10.4 = 40V. Điện áp này có thể xem là an toàn cho người lao động, không phải là người có nghề điện.

Tuy nhiên cần chú ý rằng, khi một pha xảy ra chạm vỏ thiết bị, điện áp của hai pha còn lại đối với đất có thể tăng lên đến trị số không cho phép. Như ở chương bảo vệ nối đất đã xét, điện áp sẽ bằng:

Với mạng điện 380/220V điện áp này bằng 347V.

Ta tăng dòng điện Iđ đến trị số nào đấy để bảo vệ có thể cắt nhanh chỗ bị sự cố thì mới đảm bảo được an toàn. Biện pháp đơn giản nhất là dùng dây dẫn nối vỏ thiết bị với dây trung tính.

Hình 2. Bảo vệ nối dây trung tính.

Như vậy mục đích của nối dây trung tính là biến sự chạm vỏ của thiết bị thành ngắn mạch một pha để bảo vệ làm việc cắt nhanh chỗ bị hư hỏng.

2. Sơ đồ nối đất: TN-S, TN-C, TN-CS

Trong hệ thống TN, mạch vòng sự cố bao gồm toàn bộ các phần dẫn điện, do đó có thể tránh trị số cao của điện trở đất. Điểm trung tính của nguồn điện được nối đất trực tiếp, các phần dẫn điện lộ ra ngoài của hệ thống có thể được nối với một dây bảo vệ riêng (Hệ thống TN-S) hay kết nối dây bảo vệ tới dây trung tính (Hệ thống TN-C).

2.1. Hệ thống TN-S

Dây trung tính và dây bảo vệ là riêng biệt.

Hình 3. Sơ đồ TN-S.

Đặc điểm của hệ thống TN-S:

  • Dòng điện sự cố và điện áp tiếp xúc lớn nên cần trang bị thiết bị bảo vệ tự động ngắt nguồn khi có sự cố hỏng cách điện.
  • Dây PE tách biệt với dây trung tính, không được nối đất lặp lại và tiết diện dây PE thường được xác định theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra.
  • Trong điều kiện làm việc bình thường, không có sụt áp và dòng điện trên dây PE nên tránh được hiểm họa chạy và nhiễu điện từ.

2.2. Hệ thống TN-C

Dây trung tính và dây bảo vệ là một và gọi chung là dây PE.

Hình 4. Sơ đồ TN-C.

Đặc điểm của hệ thống TN-C:

  • Sử dụng nhiều điểm nối đất lặp lại để đảm bảo dây PEN được tiếp đất trong mọi trường hợp.
  • Dòng sự cố và điện áp tiếp xúc lớn nên cần trang thiết bị bảo vệ tự động ngắt nguồn khi có sự cố hỏng cách điện.
  • Trong điều kiện làm việc bình thường, vỏ thiết bị, đất và trung tính có cùng điện thế.
  • Khi hư hỏng cách điện, dòng sự cố gây độ sụt áp nguồn, nhiễu điện từ lớn và khả năng gây cháy cao.
  • Trường hợp tải không đối xứng, trong dây PEN sẽ xuất hiện dòng điện. Dòng điện này có thể gây nhiễu cho các máy tính hay các hệ thống thông tin.

Hệ thống TN-C thường được sử dụng cho mạng điện không cần cải tạo hay mở rộng và có tiết diện dây lớn hơn 10mmđối với đồng và lơn hơn 16mm2 đối với nhôm.

2.3. Hệ thống TN-C-S

Là hệ thống kết hợp giữa hệ thống TN-C (trước) và TN-S (sau). Trường hợp này, điểm phân dây PE tách từ dây PEN thường là điểm đầu của lưới. Lưu ý rằng, sơ đồ TN-C không bao giờ được sử dụng sau sơ đồ TN-S.

Hình 5. Sơ đồ TN-C-S.

Không sử dụng hệ thống TN-C và TN-C-S cho các công trình mà khả năng cháy và khả năng lay nhiễm nhiễu điện từ cao.

3. Nối đất làm việc và nối đất lặp lại

Khi dùng bảo vệ nối dây trung tính, dây trung tính này sẽ được nối đất ở đầu nguồn (nối đất làm việc) và nối đất lặp lại trong từng đoạn của toàn mạng (nối đất lặp lại).

Bảo vệ nối dây trung tính không thể dùng được nếu dây trung tính không nối đất vì nếu xảy ra chạm đất ở chỗ nào đấy sẽ làm cho vỏ thiết bị nối với dây trung tính có diện áp gần bằng điện áp pha.

Hình 6. Sơ đồ mạng điện 4 dây, trung tính không nối đất.

Phải nối đất lặp lại trong mạng điện vì các lí do sau:

Nếu không dùng nối đất lặp lại và xảy ra hiện tượng chạm vỏ thiết bị ở sau chỗ đứt, điện áp của tất cả thiết bị sau chỗ đứt đều mang điện áp pha.

tx1 = 0

Utx2 = Utx3 = U

Hình 7. Sơ đồ nối điện lúc dây trung tính bị đứt mà không có nối đất lặp lại.

Khi có nối đất lặp lại điện áp tiếp xúc sẽ giảm:

Hình 8. Sơ đồ nối điện lúc dây trung tính bị đứt mà không có nối đất lặp lại.

Kết quả của nối đất lặp lại là làm cho sự phân bố thế của thiết bị trước chỗ bị đứt và sau chỗ bị đứt được đều hơn. Nếu r0 = r1 điện áp tiếp xúc bằng  cả ở hai phía chỗ đứt.

Tùy thuộc vào phương pháp nối đất lặp lại của dây trung tính người ta chia ra làm 3 dạng nối dây trung tính sau đây:

  • Không có nối đất lặp lại;
  • Nối đất lặp lại bố trí tập trung;
  • Nối đất lặp lại bố trí thành mạng lưới.

Quy trình hiện nay cho phép không dùng nối đất lặp lại cho mạng điện dùng cáp. Với mạng cáp sẽ có lõi riêng dùng làm dây trung tính hoặc dùng ngay vỏ kim loại của cáp làm dây trung tính.

Nối đất lặp lại bố trí tập trung quy định dùng cho các mạg điện đường dây trên không đề phòng trường hợp dây trung tính có thể bị đứt. Quy trình quy định phải nối đất lặp lại ở hai đầu đường dây trên không và các chỗ mạch rẽ của đường dây trên một đoạn dài (1 – 2) km.

Để sự phân bố điện áp được đều cần tận dụng triệt để những vật nối đất tự nhiên như ống nước, các kết cấu bằng kim loại, những vật nối đất tự nhiên này đều nối chung vào mạch vòng. Trong mạng điện thắp sáng lúc cần nối dây trung tính người ta nối trực tiếp công tắc và chuôi đèn vào dây trung tính như hình:

Hình 9. Mạng điện thắp sáng lúc cần nối dây trung tính.

Các công cụ di động, mang xách cần một dây riêng để nối vào dây trung tính. Dây này không được đồng thời làm dây dẫn điện. Nếu dùng dây trung tính dẫn điện mà dây trung tính bị đứt sẽ làm vỏ thiết bị có điện áp đối với đất gần bằng điện áp pha.

Hình 10. Sơ đồ nối dây trung tính cho các loại dụng cụ cầm tay.

Điện áp tiếp xúc của các thiết bị ở trước quãng đứt:

Ta thấy khi có nối đất lặp lại dây trung tính thì sự phân bố điện áp trước và sau chổ bị đứt được đều hơn (nếu r0 = r1 thì điện áp sẽ bằng )

Qua phân tích so sánh trên, rõ ràng ta thấy nối đất lặp lại dây trung tính sẽ giảm rất nhiều mức độ nguy hiểm cho người nhất là khi dây trung tính bị đứt.

Quy phạm quy định điện trở nối đất lặp lại dây trung tính trong mạng 380/220V không được vượt quá 10Ω.

Cũng cần lưu ý rằng nối đất lặp lại dây trung tính chỉ có tác dụng làm giảm mức độ nguy hiểm cho người nhất là khi dây trung tính bị đứt mà có sự chạm vỏ phía sau chổ bị đứt (vì lúc đó sự cố đó có thể tồn tại lâu dài) nó không thể đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người được vì vậy trong mọi trường hợp cần tránh xa dây đứt trung tính vì bất cứ lý do nào.

1. Mục đích, ý nghĩa của bảo vệ nối đất

Các phần tử bình thường không mang điện áp (bình thường là khung máy, vỏ máy điện, bệ máy,…) nhưng do cách điện pha – vỏ bị hỏng nên chúng sẽ mang điện. Khi người sử dụng chạm vào những phần tử này sẽ có những dòng điện chạy qua người. Mục đích của nối đất bảo vệ là nhằm giảm trị số dòng điện chạy qua người trong trường hợp này đến trị số an toàn.

Để làm rõ mục đích của nối đất bảo vệ, ta xét ví dụ:

  • Động cơ được cấp điện bởi mạng điện đơn giản, vỏ của động cơ được nối với hệ thống nối đất.
  • Người có điện dẫn gng chạm vào vỏ động cơ khi cách điện bị hỏng sẽ mắc song song với điện dẫn của dây dẫn 2 với đất g2 và điện dẫn của hệ thống nối đất gd; đồng thời mắc nối tiếp với điện dẫn của dây 1 với đất g1 và sơ đồ tương đương .

Hình 1. Phân tích mục đích, ý nghĩa của bảo vệ nối đất.

Điện dẫn tổng hợp của mạch điện:

Điện áp đặt vào người:

Dòng điện chạy qua người:

Vì các trị số g1, g2 và gng nhỏ hơn rất nhiều so với gd nên có thể bỏ qua chúng ở dưới mẫu số, nên:

Từ biểu thức trên, ta nhận thấy:

  • Dòng điện chạy qua người phụ thuộc vào hoặc điện dẫn của người gng hoặc điện dẫn của dây dẫn 1 với đất g1 hoặc điện dẫn của hệ thống nối đất gd.
  • Vì thế nuốn giảm trị số dòng điện qua người thì có thể hoặc giảm điện dẫn của người gng hoặc giảm điện dẫn của dây dẫn 1 với đất g1 hoặc tăng điện dẫn của hệ thống nối đất gd, việc tăng điện dẫn của dây dẫn của hệ thống nối đất gd là dễ dàng thực hiện.

Ngoài ra, nối đất còn làm cho dòng điện sự cố pha – vỏ tăng đáng kể tạo điều kiện thuận lợi cho các thiết bị bảo vệ quá dòng (cầu chì, Aptomat, relay, …) làm việc, nhanh chóng cắt phần tử bị sự cố chạm vỏ ra khỏi mạng điện, sẽ an toàn cho người và thiết bị.

Ý nghĩa của việc nối đất là tạo nên giữa vỏ thiết bị điện và đất một mạch điện có mật độ dẫn điện lớn cho dòng điện đi qua người khi chạm vỏ thiết bị có cách điện bị hỏng trở nên không nguy hiểm đối với người. Hay nói cách khác nối đất vỏ thiết bị là nhằm duy trì một điện áp nhỏ giữa vỏ thiết bị với đất khi cách điện pha – vỏ bị hỏng nhằm đảm bảo an toàn cho người khi tiếp xúc với vỏ thiết bị điện này.

Muốn người chạm phải vỏ thiết bị điện có cách điện bị hỏng an toàn, không bị điện giật thì cần phải thực hiện điện trở của hệ thống sao cho thỏa mãn điều kiện sau:

  • Trong đó: Utxcp điện áp tiếp xúc cho phép (V)

Để đạt được điều kiện này thì hệ thống nối đất phải có điện trở đủ nhỏ để phân tán dòng điện chạm vỏ thật nhanh trong đất. Ngoài ra hệ thống nối đất cần phải thực hiện sao cho giảm điện áp tiếp xúc Utx và điện áp bước U(yêu cầu cân bằng thế của nối đất).

2. Sơ đồ nối đất: TT, IT

Một hệ thống điện được định nghĩa bằng 2 chữ cái, đó là hệ thống điện IT, TT.

Chữ cái thứ nhất thể hiện tính chất của trung tính nguồn, chỉ mối quan hệ nguồn điện và hệ thống nối đất:

  • T (Terrestrial) – Nối đất trực tiếp (trung tính nguồn trực tiếp nối đất).
  • I (Insulated) – Tất cả các thành phần mang điện cách ly với đất hoặc một điểm được nối đất thông qua một trở kháng (trung tính nguồn cách ly).

Chữ cái thứ hai thể hiện hình thức bảo vệ, xác định mối quan hệ của các phần dẫn điện lộ ra ngoài của hệ thống, mạng điện lắp đặt và hệ thống nối đất:

  • T – Nối đất trực tiếp (bảo vệ nối đất – vỏ thiết bị điện bằng kim loại được nối đến hệ thống nối đất).

N – Nối trực tiếp các phần dẫn điện lộ ra ngoài dây dẫn bảo vệ với một điểm đã được nối đất của nguồn điện, thường chính là điểm trung tính (bảo vệ nối dây trung tính – vỏ thiết bị điện bằng kim loại được nối đến dây trung tính).

2.1. Hệ thống TT

Hình 2. Sơ đồ TT.

Trong hệ thống TT, tất cả các thành phần dẫn điện lộ ra ngoài (vỏ kim loại của thiết bị điện) trong hệ thống điện lắp đặt được nối với một hệ thống nối đất. Hệ thống này không kết nối về điện với đất tại nguồn cấp điện.

Đặc điểm của hệ thống TT là:

  • Sơ đồ rất đơn giản.
  • Do sử dụng hai hệ thống nối đất riêng biệt nên cần lưu ý bảo vệ quá áp.
  • Tiết diện dây PE có thể nhỏ hơn tiết diện dây trung tính và thường được xác định theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra.
  • Trong điều kiện làm việc bình thường, trên dây PE không có sụt áp.
  • Trong trường hợp hư hỏng cách điện, xung điện áp xuất hiện trên dây PE thấp và các nhiễu điện từ có thể bỏ qua.

Hệ thống TT thường được sử dụng cho mạng điện bị hạn chế về sự kiểm tra hay mạng điện có thể mở rộng, cải tạo (mạng điện công cộng, mạng điện khách hàng,…).

2.2. Hệ thống IT

Hình 3. Sơ đồ IT.

  Đôi khi rất khó nối đất hiệu quả, bởi vì tổng trở mạch vòng có thể không đủ nhỏ theo yêu cầu. Giới hạn dòng điện sự cố trong hệ thống IT đạt được bằng cách nối đất từ nguồn (trung tính cách ly), hay bằng cách nối điện trờ 1 ÷ 2 kΩ vào giữa dây trung tính và hệ thống nối đất.

Đặc điểm của hệ thống IT:

  • Vỏ các thiết bị điện và vật dẫn tự nhiên của tòa nhà được nối với điện cực nối đất riêng.
  • Tiết diện dây PE có thể nhỏ hơn tiết diện dây trung tính và thường được xác định theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra.
  • Trong điều kiện làm việc bình thường, trên dây PE không có sụt áp.
  • Giảm ngưỡng quá áp khi xuất hiện sự cố chạm từ cuộn cao áp sang cuộn hạ áp của máy biến áp nguồn.
  • Khi hư hỏng cách điện, dòng sự cố thứ nhất thường thấp và không gây nguy hiểm. Vì vậy, cần sử dụng thiết bị bảo vệ có thể vận hành khi sự cố hai điểm hay lắp đặt thiết bị kiểm soát cách điện. Thiết bị này sẽ theo dõi và chỉ thị điểm sự cố thứ nhất nhằm giúp định vị và loại trừ nó.

Hệ thống IT thường được sử dụng khi yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện cao mà mạng cấp điện cho các thiết bị xử lý thông tin là một ví dụ.

3. Nối đất tập trung – nối đất mạch vòng

Tùy theo cách bố trí các điện cực nối đất mà phân biệt nối đất tập trung hay nối đất mạch vòng.

Hình 4. Các kiểu nối đất.

  • Nối đất tập trung: thường dùng nhiều cọc đóng xuống đất và nối với nhau bằng các thanh ngang hay cáp đồng trần. Khoảng cách giữa các cọc thường bằng hai lần chiều dài cọc để loại trừ hiệu ứng màn che (hiệu ứng làm giảm khả năng tản dòng chạm đất của một cọc vào vùng đất lân cận cọc). Trong trường hợp khó khăn về mặt bằng thi công thì khoảng cách này không nên nhỏ hơn chiều dài cọc. Nối đất tập trung thường chọn nơi đất ẩm, điện trở suất thấp, ở xa công trình.
  • Nối đất mạch vòng: các điện cực nối đất được đặt theo chu vi công trình cần bảo vệ (cách mép ngoài từ 1 – 1,5m) khi phạm vi công trình rộng. Nối đất mạch vòng còn đặt ngay trong khu vực công trình. Nối đất mạch vòng nên dùng ở các trang thiết bị có điện áp trên 1000V, dòng điện chạm đất lớn.

Về vấn đề thi công hệ thống nối đất cần chú ý đến các điểm sau:

  • Các cọc nối đất (thanh nối đất) bằng sắt hay thép trước khi đặt xuống đất đều phải đánh sạch gỉ, không sơn. Ở những nơi có khả năng ăn mòn kim loại, phải dùng sắt tráng kẽm hay cọc thép bọc đồng.
  • Đường dây nối đất chính đặt ở ngoài nhà phải chôn sâu 0.5m-0.7m, ở trong nhà đặt trong rãnh hoặc đặt nối theo tường, sao cho việc kiểm tra thiết bị được thuận tiện.
  • Dây nối đất chính được nối vào bảng đồng nối đất, các trang thiết bị điện được nối với bảng đồng nối đất bằng một đường dây nhánh. Cấm mắc nối tiếp các trang thiết bị điện vào dây nối đất chính.

Bảng 1. Đặc điểm của trang thiết bị nối đất kiểu cũ và kiểu mới

Thiết bị kiểu cũ

Thiết bị kiểu mới

– Ống kim loại F = 35 ÷ 50 mm; d = 3 ÷ 5 mm; l = 2 ÷ 3m.

– Thanh thép dẹp d ≥ 4mm;

                                  S ≥ 48 mm2.

– Cáp đồng trần S ≥ 25 mm2.

– Cọc đồng lõi thép F = 13 ÷ 16mm; d = 1,4; 2,4; 3m.

– Cọc mạ lõi thép F = 13 ÷ 16mm; d = 1; 1,5; 3m.

– Băng đồng 50mm x 0,5mm.

– Cáp đồng trần S ≥ 25 mm2.

– Lưới đồng trần.

– Bảng đồng trần.

– Liên kết giữa cọc và cáp.

+ Kẹp kim loại.

+ Hàn điện.

+ Hàn gió đá.

– Liên kết giữa cọc và cáp.

+ Ốc siết cáp.

+ Hàn hoá nhiệt.

– Cải tạo đất

+ Than.

+ Muối.

– Cải tạo đất

+ Hoá chất giảm điện trở đất: không ăn mòn điện cực, không bị phân huỷ theo thời gian, ổn định trên điện trở đất.

– Bảng đồng nối đất.

– Bảng đồng nối đất.

– Hộp bê tông kiểm tra nối đất.

– Hộp kiểm tra nối đất bằng nhựa tổng hợp.

4. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở đất

Điện trở nối đất phụ thuộc vào điện trở suất của đất, hình dạng kích thước điện cực, độ ẩm của đất và độ chôn sâu trong đất.

4. Nối đất tự nhiên, nối đất nhân tạo

4.1. Nối đất tự nhiên

Nối đất tự nhiên là trang thiết bị nối đất sử dụng các ống dẫn nước chôn ngầm trong đất hay các ống bằng kim loại khác đặt trong đất (trừ các ống nhiên liệu lỏng và khí dễ cháy, nổ), các kết cấu kim loại của công trình nhà cửa có nối đất, các vỏ bọc kim loại của cáp đặt trong đất.

Khi xây dựng trang bị nối đất cần phải tận dụng các vật nối đất tự nhiên có sẩn. Tuy nhiên, hiện nay nhằm tăng mức độ dự trữ an toàn và do các trang thiết bị nối đất tự nhiên không được kiểm tra chặt chẽ về chất lượng nên nối đất tự nhiên chỉ được coi là nôi đất bổ sung chứ không phải là nối đất chính. Điện trở nối đất tự nhiên này được xác định bằng cách đo thực tế tại chỗ hay dựa theo các tài liệu để tính toán gần đúng.

4.2. Nối đất nhân tạo

Nối đất nhân tạo được sử dụng để đảm bảo giá trị điện trở nối đất nằm trong giới hạn cho phép và ổn định trong thời gian dài.

Nối đất nhân tạo thường được thực hiện bằng cọc thép, thanh thép dẹp hình chữ nhật hay hình thép góc dài 2-3m đóng sâu xuống đất, sao cho đầu trên của chúng cách mặt đất khoảng 0,5+0,8m.

Các thanh thép dẹp chiều dài không nhỏ hơn 4m và tiết diện không nhỏ hơn 48mm2 cho các trang thiết bị có điện áp đến 1000V và không nhỏ hơn 100mm2 cho trang thiết bị có điện áp lớn hơn 1000V.

6. Tính toán bảo vệ nối đất

Bảng 2. Trị số điện trở suất r của đất

Loại đất

Giá trị điện trở suất giới hạn (Wm)

Giá trị điện trở suất khi thiết kế (Wm)

Nước biển

0,15 – 0,25

0,2

Đất đen

5 – 100

8

Đất sét ẩm

2 – 12

10

Nước sông, ao hồ

10 – 500

20

Đất pha sét

20 – 200

30

Đất vườn, đất ruộng

20 – 100

40

Bê tông

40 – 1000

100

Đất khô

20 – 1000

100

Đất pha cát

300 – 500

400

Than

1000 – 5000

2000

Đất đá nhỏ

1000 – 50000

3000

Cát

1000 – 10000

3000

Đất đá lớn

10000 – 50000

20000

Bảng 3. Hệ số thay đổi điện trở suất của đất theo mùa Km.

Hình thức nối đất

Độ sâu đặt bộ phận nối đất

Hệ số thay đổi điện trở suất

Ghi chú

Tia (thanh) đặt nằm ngang

0,5

0,8 – 1

1,4 – 1,8

1,25 – 1,45

Trị số ứng với loại đất khô (đo vào mùa khô)

Cọc đóng thẳng đứng

0,8

1,2 – 1,4

Trị số lớn ứng với đất ẩm (đo vào mùa mưa)

6.1. Hệ thống nối đất đơn giản

Trường hợp ở những vùng có điện trở suất của đất cao và diện tích lắp đặt hệ thông nôi đất bị hạn chế thì có thể sử dụng hệ thống nối đất chôn sâu với chiều dài cọc nối đất có thể đạt đến 20m hay hơn nữa.

Điện trở của cọc nối đất chôn sâu đặt thẳng đứng, với giả thiết đất có câu tạo gồm hai lớp đất có điện trở suất khác nhau, được xác định theo biểu thức:

Ở đây:

  • Pi, P2 lần lượt điện trở suất của lớp đất trên và lớp đất dưới (Qm);
  • h là chiều dầy của lớp đất trên (Q);
  • L là chiều dài cọc nối đất (m);
  • d là đường kính cọc nối đất (m).

6.2. Hệ thống nối đất hỗn hợp

– Hệ thống nối đất gồm n cọc chôn thẳng đứng Rc:

Ở đây:

  • rc là điện trở nối đất của một cọc nối đất;
  • n là số cọc nối đất;
  • Tc là hệ số sử dụng cọc chôn thẳng đứng.

– Hệ thống nối đất gồm thanh (dây) đặt nằm ngang nối các cọc chôn thẳng đứng R.

Ở đây:

  • rt là điện trở của thanh (dây) nối đất đặt nằm ngang;
  • rth là hệ số sử dụng thanh (dây) nối đất đặt nằm ngang nôi các cọc chôn thẳng đứng.

Lưu ý: Nếu bố trí các thanh (dây) theo các hình dạng có sẵn trình bày trong Bảng 3.7 thì trong công thức xác định điện trở nối đất của các thanh (dây) đã kể đến sự tương tác giữa các thanh (dây).

Để xác định chính xác điện trở nối đất Rht, sau khi thi công xong cần tiến hành đo lường Rht cho cả hệ thống.

Mạng điện 3 pha trung tính có vai trò hết sức quan trọng trong chế độ làm việc. Dây trung tính là dây nối với điếm trung tính làm nhiệm vụ dẫn dòng điện trở về nguồn khi mạng không đối xứng. Điểm trung tính và dây trung tính gọi chung là trung tính của mạng diện.

Khi trung tính của mạng không nối đất hoặc nối đất qua tổng trở lớn hoặc nối đất qua cuộn Pêtécxen để bù dòng điện dung được gọi là mạng trung tính cách điện đối với đất; còn trung tính nối với hệ thống nối đất có điện trở nhỏ gọi là trung tính nối đất trực tiếp.

Mạng truyền tải điện áp U ≥ 110kV (110, 220, 500kV,…) thường là mạng trung tính nối đất trực tiếp. Mạng phân phối, điện áp U ≤ 35kV (35, 10, 6kV,…) thường là mạng trung tính cách điện với đất.

Mạng hạ áp, điện áp U ≤ 1kV (thường 220/127V hoặc 380/220V) có thể là trung tính nối đất hoặc cách điện. Nước ta hiện đang dùng phổ biến mạng 3 pha 4 dây 380/220V trung tính nối đất trực tiếp.

Các tình huống chạm điện có thể dẫn đến tai nạn nguy hiểm trong mạng điện 3 pha:

  • Chạm trực tiếp vào 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha.
  • Chạm vào vỏ thiết bị có cách điện pha – vỏ bị hỏng (chạm điện gián tiếp) thường chỉ đo 1 pha chạm vỏ. Có thế coi là trường hợp chạm trực tiếp vào 1 pha của mạng điện 3 pha.

Trong các tình huống chạm điện kể trên thì tình huống chạm vào 1 pha là phổ biến nhất, vì thế ở đây chỉ phân tích an toàn trong trường hợp này. Mức độ nguy hiểm khi người chạm vào 1 pha của mạng diện 3 pha tuỳ thuộc vào loại mạng điện 3 pha (cao áp hay hạ áp; trung tính nối đất hay cách điện).

1. Mạng điện 3 pha trung tính cách điện với đất

1.1. Trường hợp chung

Hình 2.8. Người chạm vào 1 pha của mạng 3 pha trung tính cách điện với đất.

Trường hợp chung là khi điện dẫn và điện dung của mạng có trị số bất kỳ, nghĩa là:

Khi người chạm vào 1 pha, giả sử pha A người sẽ phải chịu dòng điện chạy qua người có trị số như biểu thức:

1.2. Trường hợp người chạm vào 1 pha của mạng hạ áp (U

Khi dây dẫn đi trên không vì điện áp nhỏ nên có điện dung nhỏ, còn ở mạng cáp, mặc dù có điện dung lớn hơn nhưng thường lại có chiều dài dây ngắn nên điện dung cũng rất nhỏ, để tính gần đúng dòng điện qua người trong trường hợp này có thể coi:

Ta được:

1.3. Trường hợp người chạm vào 1 pha của mạng hạ áp (U > 1000V)

điện áp lớn cho nên điện dung lớn, không thể bỏ qua được nhưng ở mạng điện cao áp, cách điện thường rất tốt nên điện trở cách điện lớn (tức là điện dẫn rất nhỏ, có thể bỏ qua). Vì vậy để tính gần đúng dòng điện qua người trong trường hợp này có thể coi:

Ta được:

2. Mạng điện 3 pha có trung tính nối đất

Hình 2.9. Người tiếp xúc với một pha ở lưới điện 3 pha 3 dây cótrung tính nối đất.

2.1. Mạng điện điện áp thấp U = 1000 V

Mạng điện ba pha có điểm trung tính trực tiếp nối đất nguy hiểm nhất là trường hợp có một dây chạm đất hoặc chạm vào vỏ máy và người đứng ở đất chạm vào một trong hai dây dẫn còn lại. Để giảm bớt nguy hiểm trong trường hợp này, cần thực hiện nối đất điểm trung tính của nguồn cung cấp (mạng 380/220V) nhằm bảo đảm cho khí cụ điện bảo vệ (rơle, máy cắt, cầu chì) nhanh chóng cắt điện khi một pha chạm đất.

Nhược điểm chính của mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất là trường hợp làm việc bình thường người chạm phải một dây dẫn, dòng điện qua người tương đối lớn.

Ở đây:

Nếu nối đất tốt (Rđ ≈ 0) và sàn nền đất ướt (Rn ≈ 0) thì dòng điện đi qua người sẽ là:

Đối với mạng điện trung tính nối đất, cho dù điện trở cách điện, vỏ bọc cách điện của các pha đối với đất là rất lớn (R1 = R2 = R3 = R) thì vẫn không làm giảm được dòng điện đi qua người và điện áp mà người phải chịu là điện áp pha rất nguy hiểm.

2.2. Mạng điện có điện áp cao U > 1000V

  • Đối với lưới điện có điện áp U = 110 kV, về mặt an toàn trung tính được trực tiếp nối đất có lợi là khi chạm đất một pha, mạch bảo vệ sẽ cắt ngay sự cố nên giảm thời gian tồn tại của điện áp giáng ngay chỗ chạm đất. Do đó, giảm được xác suất nguy hiểm đối với người làm việc gần đó. Nhược điểm của mạng điện trung tính trực tiếp nối đất là dòng ngắn mạch chạm đất lớn.
  • Đối với mạng điện có điện áp U = 35 kV, điểm trung tính ít khi nối đất trực tiếp, thường cách điện và nối đất qua cuộn dập hồ quang.

Khi nối đất qua cuộn dập hồ quang, về mặt an toàn nó có tác dụng giảm dòng điện qua chỗ chạm đất nên giảm được điện áp quanh chỗ chạm đất.